脉冲型地震作用下RC框架结构抗震性能评估

王海东，刘巴黎，蔡长丰



脉冲型地震作用下RC框架结构抗震性能评估

王海东1, 2，刘巴黎2，蔡长丰2

(1. 湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室，湖南 长沙 410082； 2.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082； 3. 长沙理工大学 桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，湖南 长沙 410114)

通过选取脉冲型地震记录100条，拟合脉冲型加速度反应谱后与中美规范谱进行比较，利用拟合的反应谱转换成需求谱，对一10层RC框架结构进行基于Pushover分析的抗震性能评估，研究脉冲型地震动对RC框架结构抗震性能的影响。研究结果表明：通过对比拟合谱与中美规范谱，我国规范谱不考虑脉冲效应，在速度敏感区内取值偏小；UBC97规范谱通过增大加速度敏感区的宽度及增加位移敏感区的平台段来考虑脉冲效应，取值偏保守。8度多遇、罕遇地震时，拟合需求谱下结构基底剪力和最大层间位移角都远大于规范需求谱下结构基底剪力和最大层间位移角。8度罕遇地震时，规范需求谱下只有框架梁出现塑性铰，框架柱未出现塑性铰；拟合需求谱下底层框架柱柱脚出现塑性铰，局部框架梁塑性铰变形加大且塑性铰分布范围更广，表明脉冲型地震对结构提出更高的位移和能量耗散需求。

脉冲型地震动；反应谱；Pushover分析；需求谱；性能点

最近几十年来发生的多次强烈地震给人类带来了极大的灾难[1]。1979年美国Imperial Valley地震、1994年美国Northridge地震、1995年日本阪神(Kobe)地震、1999年台湾的Chi-Chi地震等，这些强震伴有高能量的速度脉冲，能量的散发是以递增的形式进行，难以在短时间内耗散。研究表明，近场脉冲型地震动会对工程结构造成严重影响[2−7]。脉冲型地震动是指在断层区域出现的包含速度脉冲的地震动。脉冲型地震动以脉冲波的形式沿建筑物高度传播，传统的反应谱已经不能反映这些冲击对结构的影响，无法正确评估脉冲型地震作用下结构的实际变形需求[8]。在评估结构的抗震性能方面，常规的Pushover分析方法都大大低估了近场地震作用下结构的需求[9]。在现行的抗震设计规范中，美国的UBC97是世界上首部明确引入近断层因子来考虑近场效应的规范，对设计反应谱作了规 定[10]。我国现行的建筑抗震设计规范(GB50011—2010)根据建筑类别和设防烈度规定了发震断层最小避让距离[11]，说明我国建筑抗震规范认识到断层的危害性，只是在应对措施上被动回避，没有对设计反应谱作出具体规定。因此如何合理的进行近场区结构的抗震设计成为亟待解决的问题，研究近场脉冲型地震动对结构抗震性能的影响具有重要的现实意义。采用文献[12]建议的方法，从美国太平洋地震工程研究中心强震数据库选取脉冲型地震记录100条，通过最小二乘法拟合加速度反应谱，并与中美规范谱进行比较。在此基础上，通过对一10层RC框架结构进行基于Pushover分析的抗震性能评估，对比8度罕遇地震作用下2种需求谱性能点处结构的反应特性，研究脉冲型地震对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响。本文的研究结果为脉冲型地震作用下工程结构的地震反应分析和抗震设计提供参考。

1 脉冲型地震反应谱研究

1.1 脉冲型地震记录的选取

根据Baker建议的方法，采用小波分解的方法从所选取得地震动的速度时程中提取速度脉冲部分，依据脉冲指标B判断该地震动是否属于脉冲型地震动，当B＞0.85时，该地震动被定义为脉冲型地震动。根据上述原则从美国太平洋地震工程研究中心强震数据库中选取脉冲型地震记录100条，发震时间为1971~1999年，矩震级介于5.7~7.6之间，震中距小于50 km，场地条件分为基岩、硬土和软土，分组原则参考文献[13]。选取的地震记录基本信息如表1所示。

表1 选用的地震记录基本信息

1.2 脉冲型地震反应谱拟合

本文采用各国规范中应用最为广泛的由斜直线上升段、平台段和指数衰减曲线段组成的设计谱表达式，分别对3类场地的平均规准谱采用最小二乘拟合法[14]进行拟合，i为平均反应谱值。

图1为上述3种类型场地的平均规准谱曲线与拟合曲线，拟合曲线的特征值如表2所示。式中4个控制参数：1) 直线上升与平台段交接的第一拐点周期0；2) 特征周期g；3) 平台段的高度，即最大放大倍数max；4) 下降段衰减指数。

从图1可以看出：3类场地的拟合反应谱的平台值均为2.25，拟合谱平台段起始点对应的周期0不固定，终止点对应的周期g约为0的4~4.3倍。硬土及软土场地的特征周期分别为0.65 s和0.85 s，与文献[15]的研究结果比较接近。基岩的特征周期为0.4 s比文献[16]的研究结果要小，可能是场地划分的标准不一致所致。3类场地拟合谱曲线下降段的衰减指数都为0.92。

(a) 基岩场地拟合谱；(b) 硬土场地拟合谱；(c) 软土场地拟合谱

表2 反应谱拟合曲线特征值

1.3 拟合谱与规范谱对比分析

根据对本文场地的分类原则，将本文基岩场地上的拟合谱与我国《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(以下简称规范谱)Ⅰ类场地规范谱进行比较，将本文硬土场地上的拟合谱与Ⅱ类场地规范谱进行比较，将本文软土场地上的拟合谱与Ⅲ类场地、Ⅳ类场地规范谱进行比较，规范设计地震分组取第一组，如图2(a)所示。将本文基岩场地上的拟合谱与美国UBC1997规范谱(以下简称UBC97规范谱)中SC类场地规范谱进行比较，硬土场地上的拟合谱与UBC97中SD类场地规范谱进行比较，软土场地上的拟合谱与UBC97中SE类场地规范谱进行比较，如图2(b)所示。

(a) 拟合谱与我国规范谱对比；(b) 拟合谱与UBC97规范谱对比

由图2(a)可以发现：拟合谱和规范谱的平台值都为2.25，拟合谱没有直线下降段。规范谱中Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅳ类(设计地震分组取第1组)场地特征周期分别为0.2，0.35和0.65 s，本文拟合谱基岩、硬土、软土场地特征周期分别为0.4，0.65和0.85 s。脉冲型地震动反应谱特征周期都比规范谱中给出的值大，并且随着场地变软，两者之间的差距变小。脉冲型地震具有更宽的加速度敏感区，规范谱谱值在速度敏感区段内明显偏小。

由图2(b)可以发现：UBC97规范谱中SC，SD和SE场地特征周期分别为0.51，0.58和1.07 s，基岩、硬土、软土场地拟合谱特征周期分别为0.4，0.65和0.85 s，硬土拟合谱特征周期与UBC97中SD场地设计谱特征周期较接近，基岩、软土场地拟合谱特征周期分别比UBC97规范谱中SC、SE场地特征周期要小。由以上可以看出，UBC97规范谱对近场效应的考虑比较合理，尤其是加大了加速度敏感区的宽度，较好的解决了近场地震动作用下结构的特殊响应问题。此外，UBC97规范谱在长周期下降段增加了一个平台段。

2 RC框架结构抗震性能评估

静力弹塑性分析法(Pushover)结合能量谱法能够简单有效评估结构的抗震性能，成为实现基于性能抗震设计思想的重要方法，已被引入我国建筑结构抗震设计规范。性能点代表地震作用下结构的最大非线性承载力和最大位移，该点在控制目标性能范围内则表示结构满足性能要求。本文采用ATC- 40[17]中介绍的方法建立需求谱，运用SAP2000对一10层框架结构进行基于Pushover分析的抗震性能评估，对比结构分别在8度多遇、罕遇地震作用下两种需求谱性能点处结构的反应特性，研究脉冲型地震对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响。

2.1 计算模型与参数

严格按我国规范设计了一座3×3跨10层的框架结构，首层层高为3.9 m，2层至10层层高为3.6 m，其平面布置图、立面图如图3所示，8度设防，一组Ⅱ类场地，房屋结构高度36.3 m，框架抗震设防等级为一级。柱混凝土强度等级为C40，梁板混凝土强度等级为C35，受力钢筋的强度等级为HRB400，箍筋强度等级为HRB335；采用现浇楼板，楼板厚度为120 mm，自重25 kN/m3；1~9层考虑非承重填充墙，墙厚240 mm，密度为19 kN/m3，1~9层楼面活载为2 kN/m2，第10层为可上人屋面，活荷载为2 kN/m2。构件配筋由中国建筑科学研究院编制的PKPM程序得到，取其中一榀框架进行Pushover分析。

梁和柱采用SAP2000中的集中塑性铰模型，铰属性基于FEMA365[18]中的默认铰属性，梁弯矩铰模型、柱轴力和弯矩耦合铰模型见图4。其中点为位移原点；点为屈服点；点为铰的极限承载力；点为残余强度；点代表了完全失效，在段之间区分，和3段，其中表示直接使用阶段，为生命安全阶段，为防止倒塌阶段。梁采用考虑弯矩的M3铰，并且分别在距离各节点0.1倍梁长处进行布置；柱采用轴力和弯矩相互作用的-2-3耦合铰，并且分别在距离柱头和柱脚0.1倍柱长处进行布置[19]。

单位：mm

(a) M3铰模型；(b) P-M2-M3铰模型

2.2 Pushover分析

运用SAP2000分别对结构进行8度多遇、罕遇地震作用下的Pushover分析，侧向力采用倒三角分布的形式，考虑-Δ效应的影响。

从表3可知，拟合需求谱性能点处结构顶点位移为规范需求谱性能点处结构顶点位移的1.7倍，拟合需求谱性能点处结构基底剪力为规范需求谱性能点处结构基底剪力的1.7倍。从图5可知，拟合需求谱下结构的最大层间位移角相比规范需求谱下结构的最大层间位移角增大68.4%。

表3 多遇地震Pushover分析性能点对比

(a) 多遇地震下的性能点；(b) 楼层层间位移角

表4 罕遇地震Pushover分析性能点对比

从表4可知，拟合需求谱性能点处结构顶点位移为规范需求谱性能点处结构顶点位移的2倍。从图6(a)和6(b)可知，拟合需求谱下结构的最大层间位移角相比规范需求谱下结构的最大层间位移角增大97.8%。从图6(c)和6(d)可知，罕遇地震时，规范需求谱下梁端塑性铰处于区段，拟合需求谱下底层柱出现塑性铰，部分梁端塑性铰发展到区段。

(a) 罕遇地震下的性能点；(b) 楼层层间位移角；(c) 规范需求谱下的塑性铰分布；(d) 拟合需求谱下的塑性铰分布

2.3 抗震性能评估

从Pushover分析的结果来看：多遇地震作用下结构处于弹性；罕遇地震作用下，结构进入塑性，整体变形仍满足现行建筑抗震设计规范弹塑性变形的要求，塑性铰的产生顺序符合规范所要求的“梁−柱铰”屈服机制。规范需求谱下只有框架梁出现塑性铰，拟合需求谱下底层框架柱柱脚出现塑性铰，局部框架梁塑性铰变形加大且塑性铰分布范围更广，表明脉冲型地震动对结构提出更高的能量耗散需求。罕遇地震作用下拟合需求谱处顶点位移和层间位移角较规范需求谱处相应值增大较为明显，表明脉冲型地震动对结构提出更高的位移 需求。

3 结论

1) 通过对比拟合谱与中美规范谱发现：脉冲型地震拟合谱具有比我国规范谱更宽的平台段且曲线下降段较为平缓，我国规范谱未考虑脉冲效应，在速度敏感区段内取值偏小；UBC97规范谱通过增大加速度敏感区的宽度及增加位移敏感区的平台段来考虑脉冲效应，取值偏保守。

2) 8度多遇、罕遇地震时，拟合需求谱下结构基底剪力和最大层间位移角都远大于规范需求谱下结构基底剪力和最大层间位移角。

3) 8度罕遇地震时，规范需求谱下只有框架梁出现塑性铰，框架柱未出现塑性铰；拟合需求谱下底层框架柱柱脚出现塑性铰，局部框架梁塑性铰变形加大且塑性铰分布范围更广，表明脉冲型地震对结构提出更高的位移和能量耗散需求。

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Seismic performance evaluation of an RC frame structure subjected to pulse-like ground motions

WANG Haidong1, 2, LIU Bali2, CAI Changfeng3

(1. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency Hunan University, Ministry of Education, Changsha 410082, China; 2. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 3. Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control by Hunan Province, Department of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

100 pulse seismic records are selected for fitting with the acceleration response spectrum to be subsequently compared with the design spectrum of Chinese Seismic Code and the Uniform Building Code 1997. The fitting response spectrum is converted into the demand spectrum for the Pushover analysis of a 10-layer RC frame structure in order to research the influence of the pulse seismic oscillation on the anti-seismic property of RC frame structure. The research shows: Through the comparison with fitting spectra and the design spectra of Chinese Seismic Code and the Uniform Building Code 1997, it is found that the value of Chinese Seismic Code spectrum tends to be unsafe in the speed sensitivity zone. It is reasonable to consider the near-field earthquake effects of UBC97 design spectrum through magnifying the width of the speed sensitivity zone and increasing the platform segments of displacement sensitivity region, but the platform segments are too conservative. Frequent- earthquake and Rare-earthquake Pushover analysis shows that the structure base shear force and the maximum inter-story displacement angle in the fitting demand spectrum are greater than the corresponding values in the standard demand spectrum.Rare-earthquake Pushover analysis shows that the frame column does not have any plastic hinge under the standard demand spectrum; the base frame column has plastic hinge at the pedestal under the fitting demand spectrum. For some frame girders, the plastic hinges are significantly deformed and widely distributed.

pulse-type ground motions; response spectrum; pushover analysis; demand spectrum; performance point

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.03.023

TU375.4

A

1672 − 7029(2019)03 − 0737 − 07

2018−04−13

新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-13-0190)；长沙理工大学桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目

王海东(1976−)，男，湖南澧县人，副教授，博士，从事工程结构抗震性能、土−结构相互作用研究；E−mail：whdwang@hnu.edu.cn

(编辑 蒋学东)